CN109375379A - 一种激光干涉条纹发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光干涉条纹发射器，所述发射器由激光器、单模光纤跳线、分光器、单模光纤尾纤和双孔陶瓷管构成。本发明的目的就是在较远距离下向被测物体投射出有效的激光干涉条纹。本发明基于光的干涉原理，以光纤作为光路，投射出红白相间的激光干涉条纹，并采用一种新型的光纤固定方法，使得光纤输出端以较远的距离并排对齐，从而大大提高了条纹的空间频率f 0 ，增强了条纹图像的有效性。
Description
技术领域
本发明属于干涉条纹成像技术领域，具体涉及一种激光干涉条纹发射器。
背景技术
随着社会的发展，开始有人采用激光条纹来扫描物体的三维形貌特征。条纹图案投射到不规则的被测物体上时，会产生变形，该变形的条纹图像包含了被测物体的三维信息，从而可以用于解析出该物体的三维形貌特征。而生成有效的激光条纹图案成为了这项技术的关键。
已有研究者采用投影仪产生数字条纹图像（中国专利CN105043299A、CN103575235A），但其条纹密度受到投影仪分辨率及投射范围的限制，不易于提高条纹图案的质量，同时投影仪电压与亮度之间的非线性关系也会影响生成的条纹的可用性。因此，有学者想到利用光的干涉原理来生成条纹图案。
频率相同的两束光波在同一介质中传播时会相互叠加，使得某些区域的振动加强或者减弱，并且形成相互错开的振动加强或振动减弱的区域，从而显现出规则的明暗条纹。产生干涉条纹的方法主要有分波阵面法和分振幅法。分波阵面法是将一个点光源产生的光分成两束光波，然后经过不同的光路汇聚在一起形成干涉条纹，如杨氏双缝法和涅菲尔透镜法。杨氏双缝法(中国专利CN106500968A、CN205352560U、CN104034268等)就是使得一束光通过一个遮光板上的两个狭缝，经两个狭缝后形成两束光波，两束光波汇聚在一起形成干涉条纹。涅菲尔透镜是将一束光射入薄三棱镜的两个面，透过第三个面形成两束光波。分振幅法是通过半透半反射的棱镜，将一束光部分反射，部分投射，形成两束光波，通过多个反光镜使得两束光波最终汇聚，形成干涉条纹，如迈克尔逊干涉法（中国专利CN108709798A）。
以上的光学干涉法都是以自由空间作为光路，所占空间较大，易受环境影响。若以光纤作为光路则使得光的传播不受空间的限制，同时抗干扰性强。因此，近年来有学者开始以光纤代替自由空间作为干涉光路来生成干涉条纹（中国专利CN103954239A、CN203824531U、CN204556501U等），但生成的干涉条纹只适用于扫描小型物件，近距离照射即可（投射距离d p <1m），若拉大照射距离d p ，条纹的空间频率f 0 会变得过低，后期难以提取图像中的有用信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种激光干涉条纹发射器，所述发射器以光纤作为光路，将一个光源发出的光分成两束光波，这两束光波分别经过两根光纤尾纤后，在尾纤的出光口汇聚，相互干涉，形成干涉条纹；
进一步地，所述发射器包括激光器、单模光纤跳线、分光器、单模光纤尾纤和双孔陶瓷管，所述分光器一端通过单模光纤跳线连接激光器，另一端连接单模光纤尾纤，所述单模光纤尾纤有两根且长度相同，两根单模光纤尾纤穿过所述双孔陶瓷管；
进一步地，所述激光器和单模光纤跳线之间还设有耦合透镜，所述耦合透镜用于将激光器发射的光束汇聚到所述单模光纤跳线的输入端面；
进一步地，两根所述单模光纤尾纤穿过双孔陶瓷管，使得两根所述单模光纤尾纤输出端的间距2a为0.75mm；
进一步地，所述发射器还包括软胶管，所述软胶管用于包裹和固定双孔陶瓷管和两根所述单模光纤尾纤的输出端；
进一步地，所述发射器在较远距离下向被测物体投射出有效的激光干涉条纹，生成的激光干涉条纹可用于在未来的研究中扫描物体的三维形貌；
本发明的有益效果如下：
1、以光纤作为光路则使得光的传播不受空间的限制，不易受环境的干扰，抗干扰性强；
2、增大了两根光纤输出端的间距2a，提高了条纹空间频率f 0 ，远距离照射(1m<d p <3m)时，保证了条纹空间频率f 0 的合理性，可用于扫描较大体积的物体；
3、相比于以往的用于投射激光条纹的装置，本发明更加经济实惠，制作成本更低。
附图说明
图1本发明所述激光干涉条纹发射器的整体结构示意图。
其中其中，1-半导体激光器，2-耦合透镜，3-单模光纤跳线的输入端面，4-单模光纤跳线，5-分光器，6-单模光纤尾纤，7-单模光纤尾纤的输出端，8-双孔陶瓷管，9-软胶管，10-干涉条纹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1所示，本发明提供一种激光干涉条纹发射器，主要由激光器、单模光纤跳线、分光器、单模光纤尾纤和双孔陶瓷管组成。在较远距离下向被测物体投射出有效的激光干涉条纹是本发明需要解决的技术问题，生成的激光干涉条纹可用于在未来的研究中扫描物体的三维形貌。本发明以光纤作为光路，将一个光源发出的光分成两束光波，这两束光波分别经过两根光纤尾纤后，在尾纤的出光口汇聚，相互干涉，形成干涉条纹。尾纤输出端的固定是一个难点，本发明采用了新的光纤固定方法，使得两根尾纤的输出端以较远的距离并排对齐并加以固定，从而大大提高了条纹的空间频率f 0 ，增强了条纹图像的可用性。干涉条纹的空间频率f 0 ，与照射距离d p 成反比，与两根尾纤输出端的间距2a成正比。照射距离d p 越远，干涉条纹的空间频率f 0 越小；两根光纤输出端的间距2a越大，空间频率f 0 越高。已有的条纹发射器的2a值较小（约为0.3mm），若照射距离d p 较大，会使得干涉条纹的空间频率f 0 过小，因此只适用于近距离照射小型物件。若要远距离照射，必须通过增加两根光纤输出端的间距2a来维持空间频率f 0 的合理性。但干涉条纹的空间频率f 0 也并非越高越好，太高的空间频率f 0 会使得条纹图像极易受噪声的干扰，使得图像不清晰。本发明选择了一个合适的2a值，使得2a=0.75mm，保证了条纹空间频率f 0 的合理性。
其中，选用波长为650nm的半导体激光器。单模光纤由中心芯径、包层、涂覆层、白塑料保护层和黄色塑料皮层构成。本发明采用9/125um的单模光纤，其中9um指中心芯径，125um指加上包层的外径。加上涂覆层的外径为0.25mm，加上白色塑料保护层的外径为1mm。双孔陶瓷管的外径为1.5mm，孔径为0.3mm，双孔间距为0.75mm。软胶管的内径为1.5mm，外径为3mm。
选用长λ为650nm的半导体激光器1，投射出的激光通过耦合透镜2将光束汇聚到单模光纤跳线的输入端面3，确保光束尽可能多地进入单模光纤跳线4内。光束经跳线4传输后，再经过分光器5，光束被平均分配到两根等长的单模光纤尾纤6中。将两根尾纤的输出端7穿过一段双孔陶瓷管8，使得两根尾纤输出端7的间距2a为0.75mm，再使用一段软胶管9将陶瓷管8和光纤尾纤6固定住，由于这种软件管9具有较好的粘弹性，可牢牢地将光纤尾纤6和陶瓷管8包裹住，从而使得两束相干光从尾纤输出端7射出后产生干涉，在被照物体表面呈现稳定的干涉条纹10。
本发明所述激光干涉条纹发射器主要应用于一种路面扫描装置中，该路面扫描装置通过激光干涉条纹发射器获得路面形态特征的功能，从而检查路面的损伤情况，为道路施工和养护管理提供关键依据，采集到的路面干涉条纹图像包含了路面的三维特征，与传统的路面二维图像采集方法不同；可较完整地反映路面病害信息，保证了较高的识别率和准确性；采集到的路面条纹图像可用于在以后的研究中提取路面病害信息和重构路面三维形貌，对道路质量检测和路面的养护管理有着重要意义。所述路面扫描装置由框架系统、扫描系统、传动系统、行走系统和电控系统组成。该装置将激光干涉条纹投射到被测路面上，由于被测路面的起伏不平，干涉条纹产生变形，该变形的条纹图像包含了被测物体的三维信息，获取这些变形的路面干涉条纹图像是本装置的任务，可使用本发明扫描道路全车道的路面条纹图像。获取的路面条纹图像可用于在以后的研究中提取路面病害信息以及重构路表三维形态。框架系统将扫描系统和传动系统架设在高处，便于扫描系统扫描路面的干涉条纹图像。传动系统包括水平导轨及其丝杠和滑块、垂直导轨及其丝杠和滑块、小型导轨及其丝杠和滑块。水平导轨及其丝杠和滑块架设在框架系统顶端，其滑块与垂直导轨相连接。垂直导轨上的滑块与扫描系统相连接，从而可带领扫描系统移动到适当位置，电控系统控制滑块的移动距离和方向。扫描系统移动到适当位置后，再进行静态扫描路面。扫描系统由条纹发射器、CCD工业相机和轻型硬质板组成。扫描系统通过该轻型硬质版与垂直导轨上的滑块相连接。条纹发射器和小型导轨安装在轻型硬质板上，CCD工业相机安装在小型导轨的滑块上，用于调节CCD工业相机的位置。条纹发射器探头与垂直方向成12°-15°夹角，优选为13°，当干涉条纹投射到路面上时，调节垂直导轨上滑块的位置，使扫描系统离地面的高度达到所需值，调节小型轨道的滑块，使CCD工业相机处于条纹图案的正上方。由于路面的起伏不平，干涉条纹图像会产生形变，相机垂直向下对准路面上的干涉条纹图像进行采集，所采集到的干涉条纹图像可用于在以后的研究中提取路面病害信息和重构路面三维形貌。行走系统的作用是带领整个装置进行移动，它包括行走轮和限位轨道。为保证整个装置严格沿着特定方向移动特定距离，使得装置的行走轮在限位轨道上行驶，并由电控系统控制行走轮的移动方向和距离。电控系统包括电机、控制箱和操作面板，操作员可通过操作面板控制滑块和行走轮的移动距离，易于实现路面条纹图像的无缝拼接。其中：
整个装置长4.0米，宽1.2米，高2.2米。水平导轨总长为3.8米，垂直导轨总长为1.5米。扫描系统中的条纹发射器投射出的干涉条纹为波长650nm的红光，条纹发射器的探头离地面的高度在0.5-1.8m之间，能产生直径约在46.0-165.5mm之间的条纹图案。小型导轨长0.5米。操作员可通过操作面板19控制各滑块5、8、11和行走轮15的移动距离，最小移动距离为1mm，易于实现路面条纹图像的无缝拼接。一个限位轨道长2.5米，有3对限位轨道，轨道之间可随时拼接和拆卸。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种激光干涉条纹发射器，其特征在于，所述发射器以光纤作为光路，将一个光源发出的光分成两束光波，这两束光波分别经过两根光纤尾纤后，在尾纤的出光口汇聚，相互干涉，形成干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述发射器包括激光器、单模光纤跳线、分光器、单模光纤尾纤和双孔陶瓷管，所述分光器一端通过单模光纤跳线连接激光器，另一端连接单模光纤尾纤，所述单模光纤尾纤有两根且长度相同，两根单模光纤尾纤穿过所述双孔陶瓷管。
3.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述激光器和单模光纤跳线之间还设有耦合透镜，所述耦合透镜用于将激光器发射的光束汇聚到所述单模光纤跳线的输入端面。
4.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，两根所述单模光纤尾纤穿过双孔陶瓷管，使得两根所述单模光纤尾纤输出端的间距2a为0.75mm。
5.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述发射器还包括软胶管，所述软胶管用于包裹和固定双孔陶瓷管和两根所述单模光纤尾纤的输出端。
6.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述发射器在较远距离下向被测物体投射出有效的激光干涉条纹，生成的激光干涉条纹可用于在未来的研究中扫描物体的三维形貌。
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